本次我們來探討一下，如何提高緊固件的抗疲勞性能以及提高螺栓性能的課題。

保證載荷條件

高強螺栓的抗疲勞試驗，我們首先需要考慮。載荷條件，這里指的載荷條件是當做疲勞試驗時,對螺栓施加的最大和最小載荷值。目前ISO和我國規范對σb ≥1 200MPa等級以上的螺栓,都把最大載荷值規定為螺栓最小抗拉破壞載荷的46% - K值(載荷系數) 。

規范中對不同直徑的螺栓規定了最小破壞載荷標準值,它既作為靜拉強度的驗收依據,又作為疲勞試驗的載荷依據(疲勞抗拉試驗最大載荷=最小抗拉載荷×載荷系數K) 。例如對合金鋼凸頭螺栓,K值取0. 46。見表1。

1.2 壽命指標

在上述的載荷規定下,還有統一的壽命指標。即在規范規定的抽樣樣品中,最小循環次數不小于4. 5 ×104 次, 凡樣品中超過13 ×104 次的只按13 ×104次計平均值。

1.2 壽命指標

在上述的載荷規定下,還有統一的壽命指標。即在規范規定的抽樣樣品中,最小循環次數不小于4. 5 ×104 次, 凡樣品中超過13 ×104 次的只按13 ×104次計平均值。

1 螺栓原材料質量

螺栓規格

   螺栓制造必須符合ISO898—1: 2009《緊固件機械性能螺栓、螺釘和螺柱》標準規范，緊固件所需材料碳素結構鋼、合金結構鋼符合DIN EN 20898—1、DIN EN 20898—2 及ISO898—1、ISO898—2 規定的鋼制螺栓及螺母與螺栓連接( 件) 。CＲH380 型動車組部分螺栓規格，見表1。

  化學成分對比

   采用德國OBLF 公司GS1000 直讀光譜儀，參照標準DIN EN 20898—1 及ISO898—1、規定，對CＲH380 型動車組部分螺栓用材料進行成分分析，結

果見表2。從其結果來看，動車組螺栓與國內螺栓用材料有較大的不同，主要采用的標準的不同，歐盟一般采用EN 10263—2005《冷鐓和冷擠壓鋼線材、棒材和線材》第4 部分的鋼種，而國內生產一般用GB /T國標和采用JIS G3507，JIS G4053 或者SAE、ASTM 、臺灣中鋼標準。

1． 3 非金屬夾雜物

   鋼中的非金屬夾雜物割裂了螺栓材料的連續性，剝落后就成為凹坑或裂紋，在冷鐓成形時極易形成裂縫，熱處理時易造成應力集中，產生淬火裂紋。在靜載荷和動載荷的作用下，往往成為高強度螺栓失效的裂紋源，特別是B 類( 氧化鋁類) 和D 類( 球狀氧化物類) 是造成冷鐓開裂和早期疲勞破壞的主要原因之一，一般緊固件的強度級別越高，夾雜物的危害性越大; 夾雜物尺寸越大、距表面距離越近，危害性越大。冷鐓鋼性能的好壞直接影響到高強度螺栓的性能，影響冷鐓鋼質量的因素主要有4 個: 一是鋼中夾雜物含量、形態、分布和大小; 二是鋼中的帶狀組織形態、分布和大小; 三是鋼中的中心疏松縮孔和中心偏析; 四是冷鐓鋼產品性能的一致性。按照GB /T 10561—2005《鋼材中非金屬夾雜物含量的測定標準評級圖顯微檢驗法》，采用A 法( 最惡劣視場評定) ，非金屬夾雜物按JK 圖評定，對動車組螺栓進行非金屬夾雜物進行了評級，檢驗結果見表3。

   根據夾雜物的形態，標準圖譜分為A 類( 硫化物) 、B 類( 氧化鋁) 、C 類( 硅酸鹽) 、D 類( 球狀氧化物) 和DS 類( 單顆粒球狀) 五大類。國內常用的螺栓鋼材標準，如GB /T 6478—2015、GB /T 3077—2015、GB /T 699—2015 等將非金屬夾雜物的檢驗規定為協議項目，具體的合格指標也是由供需雙方協商。介于此，高速動車組高強度螺栓，推薦合格指標為A 類≤1． 0 級，B、C、D 類≤1． 5 級，Ds 類≤1． 0級。從CＲH380 型動車組螺栓非金屬夾雜物評級結果看，質量明顯優于國內鋼材，且按GB /T 34474． 1—2017《鋼中帶狀組織的評定第1 部分: 標準評級圖法》檢測，在帶狀組織控制方面也占優。

   鋼中的低倍組織缺陷將導致鋼材冷鐓溫鍛時開裂，一般情況下，缺陷越嚴重，而熱處理時其淬火裂紋的傾向性越大，必須嚴格檢驗。按照GB /T 226—2015《鋼的低倍組織及缺陷酸蝕檢驗法》、GB /T1979—2001《結構鋼低倍組織缺陷評級圖》，對CＲH380 型動車組螺栓鋼的中心疏松、一般疏松、方形偏析評級均≤0． 5 級，不存在白點、縮孔、氣泡、翻皮等缺陷。

3 加工工藝

   動車組上的10． 9 級高強度螺栓表面涂覆達克羅，摩擦系數為0． 12 ～ 0． 16。該螺栓要求疲勞極限靜載荷達到屈服強度的約22%，應力比σ － 1，循環周次＞ 450 萬次。對于螺栓疲勞極限測試，采用疲勞極限臺階圖，若疲勞極限靜載荷力值等于ＲP0． 2的23%，就簡稱該類高強度螺栓的靜載荷疲勞極限為23%。試驗加載頻率25 Hz /min，對10． 9 級M14 × 105 高強度螺栓測得的疲勞極限均達到ＲP0． 2的20% ～ 23%，即靜載荷為23． 0 ± 2 kN; M16 × 140 高強度螺栓測得的疲勞極限均達到ＲP0． 2的20% ～ 23%，即靜載荷為32． 0 ± 2 kN; 循環周次可達452 ～ 488 余萬次，滿足設計要求。

   眾所周知，螺栓的破壞大部分是疲勞破壞，而螺栓又是多缺口易于應力集中的零件，疲勞裂紋的核心常常在缺口的部位; 而交變載荷下金屬不均勻滑移主要集中在螺栓的表面，使疲勞裂紋常常發生在螺紋上。表面損傷( 如刀痕、記號、磨裂等) 可以作為表面缺陷來看待，這些地方產生的應力集中度高，易使疲勞強度下降。為此，螺栓表面的粗糙度、鐓鍛及機械加工的紋道都會影響疲勞極限。螺栓表面加工愈粗糙，疲勞強度就愈低，所以對動車組螺栓，其表面必須仔細加工，不允許有任何瑕疵、碰傷及缺陷，否則會使疲勞強度大大降低。據統計，不同表面狀態下的疲勞強度相差可達到7 ～ 8 倍之多。表面粗糙，不僅使疲勞強度σ － 1下降，而且使疲勞曲線向左移，即縮短過載荷下的疲勞壽命。

   對比綜合分析，高速動車組高強度螺栓加工工藝為: 球化退火→下料→冷鐓→車加工→熱處理→磨外園→滾搓牙→表色。經過檢測，螺紋配合精度等級為4h4H，大徑及小徑尺寸實際公差值都控制在± 0． 005 mm，螺栓頭部、桿部及外圓尺寸公差一般在± 0． 010 mm，從加工尺寸分析，該類產品公差控制得特別嚴，外表沒有任何劃痕、碰傷或加工缺陷，采用熱處理后滾搓牙工藝，8． 8 級及以上螺栓在加工工藝中，牙尖部分不允許存在折疊裂紋，且完全避免螺栓桿部彎曲、變形，應力集中等此類質量問題，品質管控“零缺陷”。

   螺栓與螺母應屬于相匹配的性能等級，或由同樣的材料制成。表面涂層影響連接件功能的可靠性及其壽命，選擇涂層時考慮腐蝕、氫脆、摩擦系數的影響。表面防護涂層在抗拉強度Ｒm≥1000 MPa 淬火并回火時，不選擇會發生氫脆的防護涂層，對轉向架安裝采用10． 9 級的M16、M14 的螺栓，其防腐要求采用達克羅膜厚5 ～ 8 μm，不采用常規的有可能導致氫脆的電鍍鋅的方法，而達克羅( 鋅鉻膜涂層)主要是配合上的螺紋中徑尺寸的偏差。動車組螺栓的缺陷主要為扭矩松動、斷裂、防腐性能差、達克羅層脫落等問題。    

   在安裝時對緊固件螺紋的精度要求極高，表面防腐性能要求嚴格，針對國內企業暫時無法達到此技術要求難點，還需組織技術攻關，即用產學研相結合的科研創新攻關模式。